Skannausanturimikroskooppi

Termin alla Skannausanturimikroskooppi Pintojen analysoinnissa käytetään useita mikroskooppeja ja niihin liittyviä mittausmenetelmiä. Nämä tekniikat ovat siis osa pinta- ja rajapintafysiikkaa. Skannausanturimikroskoopeille on tunnusomaista, että mittapää ohjataan pinnan yli pienestä etäisyydestä.

Mikä on skannausanturimikroskooppi?

Kaikentyyppisiä mikroskooppeja, joissa kuva luodaan koettimen ja näytteen välisen vuorovaikutuksen seurauksena, kutsutaan skannausanturimikroskoopeiksi. Tämä erottaa nämä menetelmät sekä valomikroskopiasta että skannauselektronimikroskopiasta. Tässä ei käytetä optisia eikä elektronisesti optisia linssejä.

Skannausanturimikroskoopilla näytteen pinta skannataan vähitellen koettimen avulla. Tällä tavalla saadaan mitatut arvot jokaiselle yksittäiselle pisteelle, jotka yhdistetään sitten digitaalisen kuvan luomiseksi.

Skannausanturimenetelmä kehitettiin ja esitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1981 Rohrer ja Binnig. Se perustuu tunneliefektiin, joka syntyy metallikärjen ja johtavan pinnan väliin. Tämä vaikutus muodostaa perustan kaikille skannausanturimikroskopiamenetelmille, jotka kehitettiin myöhemmin.

Muodot, tyypit ja tyypit

On olemassa erityyppisiä skannausanturimikroskooppeja, jotka eroavat ensisijaisesti koettimen ja näytteen välisestä vuorovaikutuksesta. Lähtökohtana oli pyyhkäisy tunnelimikroskopia, joka vuonna 1982 mahdollisti ensimmäistä kertaa atomisesti erotetun esityksen sähköä johtavien pintojen. Seuraavien vuosien aikana kehitettiin useita muita skannausanturimikroskopiamenetelmiä.

Skannaavan tunnelimikroskoopin avulla näytteen pinnan ja kärjen välille syötetään jännite. Tunnelin virta mitataan näytteen ja kärjen välillä, joita ei myöskään saa koskettaa. Vuonna 1984 syntyi optinen lähikenttämikroskopia. Tällöin valo lähetetään näytteen läpi koettimesta. Atomivoimamikroskoopissa koetin taipuu atomivoimien avulla. Yleensä käytetään ns van der Waals -voimia. Koettimen taipumalla on verrannollinen suhde voimaan, joka määritetään koettimen jousivakion mukaan.

Atomivoimamikroskopia kehitettiin vuonna 1986. Alussa atomivoimamikroskoopit toimivat tunnistimen kärjen perusteella, joka toimii ilmaisimena. Tämä tunnelin kärki määrittää näytteen pinnan ja anturin todellisen etäisyyden. Teknologia hyödyntää tunnelin jännitettä, joka on anturin takaosan ja ilmaisinkärjen välillä.

Nykyään tämä menetelmä on korvattu suurelta osin havaitsemisperiaatteella havaitsemisella lasersäteellä, joka toimii valoosoittimena. Tätä kutsutaan myös laservoimamikroskoopiksi. Lisäksi kehitettiin magneettinen voimamikroskooppi, jossa mittapään ja näytteen väliset magneettiset voimat toimivat perustana mitattujen arvojen määrittämiselle.

Vuonna 1986 kehitettiin myös skannaava lämpömikroskooppi, jossa pieni anturi toimii skannausanturina. Siellä on myös ns. Optinen pyyhkäisyn lähikenttämikroskooppi, jossa koettimen ja näytteen välinen vuorovaikutus koostuu heijastavista aalloista.

Rakenne ja toiminnallisuus

Periaatteessa kaikentyyppisillä skannausanturimikroskoopeilla on yhteistä, että ne skannaavat näytteen pinnan ruudukossa. Käytetään vuorovaikutusta mikroskoopin koettimen ja näytteen pinnan välillä. Tämä vuorovaikutus vaihtelee skannausanturimikroskoopin tyypistä riippuen. Koetin on valtava verrattuna tutkittavaan näytteeseen, ja silti se pystyy määrittämään näytteen pienet pintaominaisuudet. Tärkein atomi koettimen kärjessä on erityisen tärkeä tässä vaiheessa.

Skannausanturimikroskopian avulla jopa 10 pikometrin tarkkuudet ovat mahdollisia. Vertailun vuoksi: atomien koko on välillä 100 pikometriä. Valomikroskooppien tarkkuutta rajoittaa valon aallonpituus. Tästä syystä vain noin 200 - 300 nanometrin resoluutiot ovat mahdollisia tämän tyyppisellä mikroskoopilla. Tämä vastaa suunnilleen puolta valon aallonpituudesta. Siksi pyyhkäisyelektronimikroskoopissa käytetään elektronisuihkuja valon sijasta. Lisäämällä energiaa aallonpituus voidaan teoriassa tehdä niin lyhyeksi kuin halutaan. Liian pieni aallonpituus tuhoaa kuitenkin näytteen.

Lääketieteelliset ja terveyshyödyt

Skannausanturimikroskoopin avulla ei ole mahdollista skannata vain näytteen pintaa. Sen sijaan yksittäiset atomit voidaan myös poistaa näytteestä ja tallettaa uudelleen määritettyyn kohtaan.

1980-luvun alusta lähtien skannausanturimikroskopian kehitys on edennyt nopeasti. Uudet mahdollisuudet parantaa huomattavasti alle mikrometrin resoluutiota olivat olennainen edellytys nanotieteiden ja nanoteknologian kehitykselle, ja tätä kehitystä on tapahtunut etenkin 1990-luvulta lähtien.

Koetinmikroskooppien skannaamisen perusmenetelmien perusteella nykyään jaetaan lukuisia muita alamenetelmiä. Ne hyödyntävät koettimen kärjen ja näytteen pinnan välistä erityyppistä vuorovaikutusta.

Skannausanturimikroskoopeilla on tärkeä rooli tutkimusalueilla, kuten nanokemia, nanobiologia, nanobiokemia ja nanolääketiede. Skannausanturimikroskoopeja käytetään jopa tutkimaan muita planeettoja, kuten Marsia.

Skannausanturimikroskoopit käyttävät erityistä paikannustekniikkaa, joka perustuu ns. Pietsotehosteeseen. Laite koettimen siirtämiseksi on tietokoneen ohjaama ja mahdollistaa erittäin tarkan paikannuksen. Tämä mahdollistaa näytteiden pintojen skannaamisen hallitusti ja mittaustulokset voidaan yhdistää erittäin korkean resoluution näytöksi.